一种基于熔融沉积成型的五轴3D打印设备的制作方法

本实用新型涉及一种基于熔融沉积成型的五轴3D打印设备，属于3D打印设备技术领域。

背景技术：

基于熔融沉积成型的3D打印技术是3D打印领域的传统打印技术之一，因其采用熔融状态的打印材料逐层堆积成型的原理简单而且易于实现而受到广大设备开发者和用户的欢迎，可以适用的打印各种实物模型和工艺品。

但是目前市场上的FDM打印机采用的是两轴半的成型工艺，即X轴和Y轴联动，竖直轴Z做阶段性进给。这种成型装置和工艺在打印复杂工件时需要添加大量的工件以外的支撑，去除支撑不仅耗费大量工时而且影响工件质量。意识到这一缺陷，目前已经有装置把喷头连接在多自由度机械臂上，这种装置的缺陷是当喷头与竖直轴Z不平行时，液态打印材料容易流动进而影响工件质量。也有装置把打印工作台安装在机械臂上，从液态材料流动的角度来说，这种装置比前一种装置的打印效果好，但是机械臂的定位精度通常没有丝杠-滑台装置的定位精度高。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于熔融沉积成型的五轴 3D打印设备，解决了现有面向熔融沉积成型的打印设备存在的问题，打印具有设备成本低，打印精度高和打印效率高的特点。

为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：

一种基于熔融沉积成型的五轴3D打印设备，其特征是，包括机架、用于安装打印喷头的方框形支架和用于安装打印工作台的旋转机构；所述方框形支架和旋转机构均设置在机架内，且所述方框形支架位于旋转机构的上方；所述机架上设置有Z轴导轨；所述方框形支架通过Z轴导轨在机架内部上下移动；

所述方框形支架包括X轴支架、XY轴支架和喷头部件，还包括：

设置在所述方框形支架外部左右两侧的Z方向丝杠；所述Z方向丝杠与支架通过固定在支架上的丝杠螺母连接；所述Z方向丝杠上设置有滑块；所述滑块通过Z方向丝杠连接支架和机架，实现支架在机架上的上下移动；

所述方框形支架内部设置有X轴同步带、Y轴同步带、X轴步进电机、Y轴步进电机、X轴同步带轮和Y轴同步带轮；所述X轴同步带轮安装在X轴步进电机内；所述 Y轴同步带轮安装在Y轴步进电机内；所述X轴步进电机运动带动X轴同步带轮运动， X轴同步带轮带动X轴同步带沿X方向运动；所述Y轴步进电机运动带动Y轴同步带轮运动，Y轴同步带轮带动Y轴同步带沿Y方向运动；所述Y轴同步带通过固定支架连接在X轴支架上，Y轴同步带运动带动X轴支架和喷头部件一起运动，实现X、Y 轴的联动；

所述喷头部件通过滑台与X轴支架连接；所述XY轴支架通过连接臂连接于Z轴导轨；所述喷头部件的上端与X轴同步带连接，在X轴同步带的移动下沿着X轴移动；所述X轴支架通过滑块连接于XY轴支架上的Y向导轨上；所述X轴支架固定于Y轴同步带上，Y轴同步带带动X轴支架沿着Y方向移动；

所述旋转机构包括：

与X轴平行的A轴，A轴的两端通过轴承连接有立式支撑，且A轴的一端与电机固连，在电机的带动下转动；所述A轴中部设置有转台，在初始状态下该转台的旋转轴记为C轴，C轴绕Z轴方向转动；所述转台上设置有打印工作平台。

前述的一种基于熔融沉积成型的五轴3D打印设备，其特征是，所述喷头部件包括依次连接的喷嘴、喷头、喷头电机、加热块和进料管；所述喷头固定在喷头固定架上；所述喷头固定架连接于X轴同步带上，X轴同步带运动带动喷头运动。

前述的一种基于熔融沉积成型的五轴3D打印设备，其特征是，所述支架上设置有两个Z轴步进电机；所述Z轴步进电机分别通过方形电机法兰固定于机架上；所述Z 轴步进电机的轴端分别通过联轴器连接于Z轴丝杠上，Z轴步进电机转动带动Z轴丝杠转动，实现滑块沿Z轴方向移动。

前述的一种基于熔融沉积成型的五轴3D打印设备，其特征是，所述Z方向丝杠的最小位置处装有Z轴限位开关，固定于机架上；当所述支架沿Z轴向下运动时，碰到Z 轴限位开关后停止运动，实现对Z轴运动的限制Z轴零位的寻找；所述Z方向丝杠的最小位置根据实际需求设置。

前述的一种基于熔融沉积成型的五轴3D打印设备，其特征是，所述Y轴支架的最小位置处安装有Y轴限位开关；所述X轴支架的最小位置处安装有X轴限位开关；所述X轴支架的最小位置和Y轴支架的最小位置均通过实际需要设置。

前述的一种基于熔融沉积成型的五轴3D打印设备，其特征是，所述支架上部四个角的位置分别放置一个水平基准版；所述基准板上放置水准仪，用于观察方形支架是否水平。

前述的一种基于熔融沉积成型的五轴3D打印设备，其特征是，所述A轴一端的电机连接有减速器组件；所述A轴的另一端通过轴承座固定于机架上；所述转台上设置有 C轴步进电机。

前述的一种基于熔融沉积成型的五轴3D打印设备，其特征是，所述打印平台包括上部和下部；所述上部和下部通过调节螺钉连接。

本实用新型所达到的有益效果：本装置通过结构上的设置，解决了现有面向熔融沉积成型的打印设备存在的问题，打印具有设备成本低，打印精度高和打印效率高的特点。

附图说明

图1是本装置的主视图；

图2是本装置的左视图；

图3是本装置的俯视图；

图4是本装置的左侧视图；

图5是本装置的正等侧视图；

图6是本装置的旋转机构示意图；

图7是支架的俯视图；

图8是Z轴丝杠的结构示意图；

图9是机架的正等侧视图。

图中附图标记的含义：

1-喷头固定架，2-X轴同步带，3-调平垫片，4-打印机机架，5-C轴步进电机，6-C 轴转台，7-下部，8-调节螺钉，9-上部，10-喷嘴，11、14-喷头电机，12-加热块，13、 18-Z轴步进电机，15-进料管，16-Y轴步进电机，17-联轴器，19-X轴限位开关，20-Y 轴限位挡块，21、22-减速器组件，23-横梁轴，24-Y轴同步带固定架，25-同步带轮， 26-Z轴丝杠，27-加热棒及热传感器，28-方形电机固定法兰，29-X轴支架，30、38-连接臂，31、33-Z轴导轨，32-Z轴限位开关，34-Y轴导轨，35-A轴步进电机，36-X轴导轨，37-Y轴限位开关，39-A轴轴承支架，40-X轴步进电机，41-X轴步进电机固定支架，42-Y轴步进电机固定支架，43-XY轴支架，44-Y轴同步带，45-Z轴轴承座，46- 滑块，47-电器柜。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

本装置中打印喷头具有X、Y、Z三个方向的自由度。方框形支架自身的上下运动实现打印喷头Z方向的自由度，具体实现方式是支架外部左右两侧安装两根Z方向(直立方向)的丝杠，丝杠与支架通过固定在支架上的丝杠螺母连接。

两根丝杠的上端分别安装电机，丝杠在电机的带动下旋转时可以带动支架作上下降运动。两根丝杠带动支架运动的目的是确保支架在运动过程中的稳定性，减少运动过程中的震动。

在方框形支架四个角的位置焊接有四个水平金属板，即为水平基准板，金属板经过特殊的加工和检测，确保平整；四个金属板的安装也经过特殊的安装、测量和调试，确保这四个金属板在同一个平面上。当位于对角位置的金属板上分别放置水准仪时，可以观测方框形支架是否水平。整个打印装置通过支脚放置于地面，支脚的长度可以通过相应的螺母调节。这样，通过观察水准仪和调整各支脚的螺母，就可以确保框形支架水平。

与旋转机构固连的平板工作台具有A和C两个自由度。A自由度即绕X轴旋转的自由度，其实现方式是在打印装置的底板上设置一个与X轴平行的A轴，轴的两端与立式支撑通过轴承连接，立式支撑与打印装置底板固连。A轴的一端与电机通过减速器相连，可以在电机的带动下转动。A轴转动时，固定安装在其上的装置做绕A轴的转动。C自由度通常被称为绕Z轴转动的自由度，其实现方式是在A轴中部固定安装一个转台，在初始状态下该转台的旋转轴(C轴)与Z轴平行，C轴为转动轴，和A轴一样， C轴转动方向围绕Z轴，A轴转动方向围绕X轴。打印工作台固定安装在转台上。当转台转动时，带动打印工作台和工件旋转。

结合附图1-9，具体本装置包括两个Z轴步进电机13，其分别通过方形电机法兰28 固定于打印机机架4，Z轴两电机轴端分别通过联轴器17连接于Z轴丝杠26，电机转动带动丝杠转动，从而实现Z轴丝杠滑块46沿Z轴方向移动，Z轴丝杠滑块46连接于 XY轴支架43，滑块移动带动XY轴支架43沿Z方向移动，Z轴的最小位置处装有Z 轴限位开关32固定于打印机机架4，当XY轴支架43沿Z轴向下运动时，碰到限位开关则停止运动，实现对Z轴运动的限制Z轴零位的寻找。

4条Z轴导轨连接于打印机机架4，XY轴支架43通过连接臂38连接于Z轴导轨，实现了XY轴支架43能够平稳运行。

X轴步进电机40通过X轴步进电机支架41连接于打印机XY轴支架43，实现步进电机的固定，电机的轴端通过联轴器17与同步带轮25连接，实现对同步带轮25的驱动，同步带轮带动X轴同步带2运动，打印机喷头11、14固定于喷头固定架1，喷头固定架又连接于X轴同步带2，X轴同步带2运动带动打印机喷头运动，X轴最小位置处安装有X轴限位开关，实现对X轴位置的限制和零位的寻找。

Y轴步进电机通过Y轴步进电机支架42连接于打印机XY轴支架43，实现步进电机的固定，电机的轴端通过联轴器17与同步带轮25连接，实现对同步带轮25的驱动，同步带轮带动Y轴同步带44运动，Y轴同步带44又通过固定支架连接于X轴的横梁， Y轴同步带44运动带动X轴和打印机喷头一起运动，实现XY轴的联动，Y轴最小位置处安装有Y轴限位开关37，实现对Y轴位置的限制和零位的寻找。

A轴步进电机35连接于减速器组件22，减速器组件22又连接于减速器组件21，横梁轴23一端连接于减速器组件21，横梁23的另一端连接于轴承座，轴承座又固定于机架4，A轴电机35转动带动横梁轴23转动；C轴步进电机5连接于转台6，电机转动带动转台的转动；转台6又连接于横梁轴23，所以实现A轴转动带动C轴转动，实现打印时工件工位的转换；上部9通过调节螺钉8与下部7相连，从而实现对打印平台水平的调节；进料管15与打印机喷头电机11、14相连，实现对于打印材料的给丝；为加热棒及热传感器27连接于加热块12，实现对于打印过程中喷头的加热和温度的检测，电器柜47与机架4相连位于机架的下部，用于各种控制电路的安装与放置。

具体使用时，打印开始时，喷头开始加热，温度到达设定温度后，喷头开始给丝的同时，X轴支架与Y轴支架开始联动，完成模型主部件第一次层中相应轨迹的打印，第一层打印完成后，Z轴上升一定高度，完成第二层的打印，如此往复，直至完成需要打印模型主部件的打印；此时X轴支架与Y轴支架退回初始位置(指的是各轴限位开关限定的最小位置处，也就是零位)，A轴和C轴转动到合适角度，使打印模型支部件的打印平面与喷头垂直，此时，X轴与Y轴又开始联动，完成支部件第一层的打印，打印完成第一层后轴上升相应高度，完成支部件第二层的打印，如此往复完成第一个支部件的打印；X、Y轴归位，A、C轴转动合适角度，如此循环直至所有的支部件打印完成，整个打印过程结束。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。